KR100701611B1 - 누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류의 입력전압을 이용하여 지게차 등의 전기차용 축전지를 충전시킬 수 있도록 누설변압기가 구비된 준정전압방식 충전기로서, 외부의 3상 교류전압이 입력되는 R,S,T 인풋단자와; 상기 R,S,T 인풋단자가 각각 접속되는 제 1 내지 제 3 입력단이 인출되되 각각 서로 다른 전압값이 할당된 적어도 두 종의 탭으로 구분된 1차 측 그리고 이를 소정크기로 변환 출력하는 2차 측을 포함하는 누설변압기와; 상기 2차 측에 접속되어 충전되는 축전지와; 상기 R,S,T 인풋단자를 각각 상기 적어도 두 종의 탭 중 선택된 하나로 접속시키는 스위치부와; 타이머와; 상기 R,S,T 인풋단자의 전압값을 기초로 상기 스위치부를 제어하고, 충전완료 후 상기 타이머의 시간측정 결과를 기초로 일정시간 마다 상기 축전지를 재충전 시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기를 제공한다.

이에 입력전압의 변동분에 따른 자동 보상이 가능하고 충전 완료 후 일정시간 마다 재충전을 진행하여 자연 소모에 따른 방전량을 보충 충전할 수 있다.

누설변압기, 준정전압, 제어부, 스위치부, 마그네틱스위치, 타이머

Description

누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기{quasi constant voltage type charger including leakage transformer}

도 1은 일반적인 충전기에 대한 주회로도.

도 2는 일반적인 축전지의 충전시간에 따른 변화량를 나타낸 그래프.

도 3은 일반적인 충전기의 누설변압기를 개략적으로 나타낸 정면도.

도 4는 본 발명에 따른 충전기의 구성을 나타낸 블록도.

도 5는 본 발명에 따른 충전기에 대한 주요부분에 대한 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

50 : 인풋단자 60 : 누설변압기

62,64,66 : 제 1 내지 제 3 입력단 70 : 정류회로

80 : 축전지 90 : 스위치부

100 : 제어부 110 : 타이머

R1,R2,R3,S1,S2,S3,T1,T2,T3 : 탭 M1,M2,M3 : 마그네틱스위치

본 발명은 누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기에 관한 것으로, 좀더 자세하게는 교류의 입력전압을 이용하여 지게차 등의 전기차용 축전지를 충전시킬 수 있도록 누설변압기가 구비된 준정전압방식 충전기에 있어서, 특히 입력전압의 변동분에 따른 자동 보상이 가능하고 충전 완료 후 일정시간 마다 재충전을 진행하여 자연 소모에 따른 방전량을 보충 충전할 수 있는 충전기에 관한 것이다.

일반적으로 무인차, 골프카트, 청소차 및 전동 지게차 등의 전기차는 동력원으로서 축전지의 전력을 이용하며, 이 같은 축전지의 사용에 따른 방전전력은 충전기를 이용하여 재충전한다. 이러한 전기차용 축전지의 충전기는 원리에 따라 몇 가지로 구분될 수 있지만 현재로서는 값이 저렴하고 보수유지가 용이한 준정전압방식 충전기가 가장 널리 이용되고 있다.

첨부된 도 1은 일반적인 준정전압방식 충전기를 나타낸 주 회로도로서 인풋단자로 입력된 외부의 입력전압을 소정크기로 변환하는 누설변압기(10)를 구비하고 있으며, 이 같은 누설변압기(10)의 변환전압은 브릿지다이오드 등의 정류회로(20)를 거쳐 축전지(30)로 충전된다. 이때 입력전압으로는 통상 3상 교류전압이 사용되므로 인풋단자 또한 각각 R,S,T로 구분되고, 누설변압기(10)의 1차측으로부터는 제 1 내지 제 3 입력단(12,14,16)이 인출되어 각각 서로 다른 위상의 R,S,T 가 입력된다.

한편, 일반적인 충전기에 있어서 입력전압의 변화에도 불구하고 출력전압을 일정하게 유지시키는 것은 매우 중요한데, 첨부된 도 2는 충전시간에 따른 축전지의 전압, 전류, 비중, 전해액 온도 등의 변화를 나타낸 그래프이다.

이를 참조할 경우 통상의 축전지(30)는 충전초기에 내부전압이 증가하지만 전류는 오히려 감소하며, 충전말기에 내부전압은 더 이상 상승되지 않고 일정하게 유지되는 특성을 보인다. 이에 입력전압이 5% 상승되면 충전말기에 축전지(30)의 내부전류는 2배 이상 급격하게 증가하지만 자체저항으로 인한 열이 발생되어 액온 과다상승과 더불어 증류수를 다량 증발시키게 되고 그 결과 과충전 상태가 되어 충전효율 및 축전지 수명을 대폭 단축시킨다. 반대로 입력전압이 기준치 이하가 되면 충전전류가 급격하게 감소하여 장시간 충전하더라도 만충전 되기 어려운 부족 충전상태가 되는 바, 충전에 지나치게 장시간이 요구되는 단점이 있다.

그러나 현재 국내의 전력공급 현실을 감안할 경우에 사용량 또는 시간대 별로 입력전압은 5 내지 10%의 변동을 나타내는데, 이에 대비하기 위하여 앞서 설명한 도 1에 나타낸 바와 같이 종래의 누설변압기(10) 1차 측에 구비된 제 1 내지 제 3 입력단(12,14,16)은 각각 제 1 전압을 위한 제 1 탭(R1,S1,T1)과, 이보다 높은 제 2 전압을 위한 제 2 탭(R2,S2,T2), 그리고 이보다 낮은 제 3 전압을 위한 제 3 탭(R3,S3,T3)으로 구분되어 있다.

구체적인 예로서 충전기에 가장 적합한 입력전압을 380V라 가정할 경우, 이에 따른 R,S,T 가 입력되는 세 개의 입력단(12,14,16) 중 제 1 탭(R1,S1,T1)은 각각 이와 동일한 정격전압으로서 제 1 전압인 380V를 위해 할당된 것이고, 제 2 탭(R2,S2,T2)은 이보다 10~20V가 높은 400V 정도의 제 2 전압이 입력될 경우에 사용되기 위한 것이며, 제 3 탭(R3,S3,T3)은 반대로 외부의 입력전압이 정격전압보다 10~20V가 낮은 360V 정도의 제 3 전압일 경우에 각각 R,S,T 가 입력되는 부분이다.

도 3을 참조할 경우에 이를 보다 쉽게 이해할 수 있는데, 본 도면은 종래의 정전압방식 충전기에 구비되는 누설변압기(10)의 외관을 나타낸 사시도로서 1차측 권선이 내장된 상부하우징(17)은 R,S,T를 위한 세 개의 제 1 내지 제 3 입력단(12,14,16)으로부터 각각 세 개씩 총 9개의 탭(R1,S1,T1,R2,S2,T2,R3,S3,T3)이 인출되고, 2 차측 권선이 내장된 하부하우징(19)은 이들 각각에 대한 변환전압을 출력하는 세 개의 인출단(R',S',T') 만이 존재하고 있다.

이에 외부에서 공급되는 3상 교류의 입력전압 값에 따라 각각 R,S,T 인풋단자를 적합한 탭에 수동으로 절환 연결하게 되며, 일례로 입력전압이 380V 정도일 경우에 R,S,T 인풋단자를 각각 제 1 탭(R1,S1,T1)으로, 400V 정도일 경우에 제 2 탭(R2,S2,T2)으로, 360V 정도일 경우에 제 3 탭(R3,S3,T3)으로 절환 연결시키고 있다.

그러나 이와 같이 매번 입력전압 값에 따라 인풋단자를 수동 절환하는 과정은 번거로운 단점을 나타낸다.

이에 충전특성이 우수한 SCR 위상제어방식 충전기가 소개된 바 있지만 이는 위상제어를 사용함에 따라 리플전류가 증가되어 필터쵸크가 필요하며, 이와 별도로 궤환제어회로 및 SCR 위상제어회로 등이 추가로 요구되므로 회로가 복잡하고 고가의 구성을 가지며 고장시 보수가 힘들고 보수비용이 증가되는 문제점이 있다.

그 결과 현재로서는 번거로움을 감수하고서라도 누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기를 채택하여 입력전압의 변동분에 따른 수동절환을 하여 사용하는 실정이며, 이에 보다 개선된 준정전압방식 충전기가 시급하게 요구되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 기대에 부응하기 위하여 안출된 것으로 외부 입력전압의 변동분에 따른 자동 보상이 가능하여 수동절환의 번거로움을 없애고, 보다 정확하고 간편하며 신속하게 절환이 가능한 누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기를 제공하는데 그 목적이 있다. 아울러 본 출원인은 축전지의 충전 후 일정시간이 경과되면 자연방전이 발생되어 목적하는 전력값을 얻지 못함에 착안하여 충전 완료 후 일정시간 마다 재충전을 진행함에 따라 자연 소모에 따른 방전량을 보충 충전할 수 있는 누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 외부의 3상 교류전압이 입력되는 R,S,T 인풋단자와; 상기 R,S,T 인풋단자가 각각 접속되는 제 1 내지 제 3 입력단이 인출되되 각각 서로 다른 전압값이 할당된 적어도 두 종의 탭으로 구분된 1차 측 그리고 이를 소정크기로 변환 출력하는 2차 측을 포함하는 누설변압기와; 상기 2차 측에 접속되어 충전되는 축전지와; 상기 R,S,T 인풋단자를 각각 상기 적어 도 두 종의 탭 중 선택된 하나로 접속시키는 스위치부와; 타이머와; 상기 R,S,T 인풋단자의 전압값을 기초로 상기 스위치부를 제어하고, 충전완료 후 상기 타이머의 시간측정 결과를 기초로 일정시간 마다 상기 축전지를 재충전 시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기를 제공한다.

이때 상기 적어도 두 종의 탭은 제 1 전압을 위한 제 1 탭과; 상기 제 1 전압 보다 큰 제 2 전압을 위한 제 2 탭과; 상기 제 1 전압 보다 작은 제 3 전압을 위한 제 3 탭으로 구분되고, 상기 스위치부는 상기 R,S,T 인풋단자를 각각 상기 제 1 내지 제 3 탭 중 선택된 한 종으로 접속시키는 적어도 세 개의 마트네틱스위치를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 경우 특히 상기 제 2, 제 3 전압은 각각 상기 제 1 전압의 ±5~10% 인 것을 특징으로 한다.

아울어 상기 일정시간은 20시간 주기인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 누설변압기의 2차측과 상기 축전지 사이로 위치되어 상기 변환 출력된 전압을 정류하는 정류회로를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 정류회로는 브릿지다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 바, 이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

첨부된 도 4는 본 발명에 따른 누설변압기를 이용한 준정전압방식 충전기(이하, 간략하게 충전기라 한다.)의 개략적인 구조를 나타낸 블록도로서 외부의 교류전압이 입력되는 인풋단자(50)와, 이와 접속된 1차측 및 이와 소정의 권선비를 이루고 있어 1차측의 출력전압을 소정크기로 변환하는 2차측으로 이루어진 누설변압기(60)를 포함하며, 특히 인풋단자(50)와 누설변압기(60) 1차측 사이로 구비된 스 위치부(90) 그리고 이를 제어하는 제어부(100)를 필수적인 구성요소로 한다.

좀더 자세히, 도 5는 이 같은 본 발명에 따른 충전기의 스위치부(90)에 중점을 두어 보다 상세하게 나타낸 주 회로도로서, 이들을 함께 참조할 경우 외부의 교류전압은 3상 교류전압일 수 있으며, 이에 따라 인풋단자(50) 또한 R,S,T 인풋단자로 구분되어 있다.

그리고 누설변압기(60)의 1차 측 역시 이들 R,S,T 각각이 입력되도록 세 개의 제 1 내지 제 3 입력단(62,64,66)이 인출되어 있고 특히 이들 각각의 입력단은 또 다시 서로 다른 전압값이 할당된 적어도 두 종의 탭으로 구분되어 있는 바, 일례로 이들 적어도 두 종의 탭은 제 1 전압을 위한 제 1 탭(R1,S1,T1) 및 이보다 큰 제 2 전압을 위한 제 2 탭(R2,S2,T2) 그리고 이보다 작은 제 3 전압을 위한 제 3 탭(R3,S3,T3)으로 구분될 수 있다.

따라서 R 인풋단자는 제 1 입력단(62)의 R1,R2,R3 탭 중 하나와, S 인풋단자는 제 2 입력단(64)의 S1,S2,S3 탭 중 하나와, T 인풋단자는 제 3 입력단(66)의 제 T1,T2,T3 중 하나와 각각 연결되는 것으로, 이 경우 제 1 전압은 누설변압기(60)에 가장 적합한 정격전압일 수 있고 제 2 및 제 3 전압은 각각 이보다 5~10% 크거나 작은 값이 될 수 있다.

일례로 정격전압인 제 1 전압이 380V 일 경우에 제 2 전압은 400V, 제 3 전압은 360V 가 각각 할당된다.

한편, 이상의 설명은 일반적인 기술적 사상을 기초로 하고 있지만 본 발명에서는 입력전압의 크기에 따라 R,S,T 인풋단자를 각각 제 1 내지 제 3 입력단(62,64,66)의 적절한 탭으로 자동절환 접속하는 스위치부(90) 및 이의 동작을 제어하는 제어부(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바, 이를 위하여 스위치부(90) 내에는 적어도 세 개 이상의 마그네틱스위치(M1,M2,M3)가 구비되고 제어부(100)는 소정의 연산알고리즘을 가진 소프트웨어적 구성을 가질 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 스위치부(90)는 R 인풋단자를 제 1 입력단(62)의 R1,R2,R3 탭 중 선택된 하나로 접속하는 제 1 마그네틱스위치(M1)와, S 인풋단자를 제 2 입력단(64)의 S1,S2,S3 탭 중 선택된 하나로 접속하는 제 2 마그네틱스위치(M2)와, T 인풋단자를 제 3 입력단(66)의 T1,T2,T3 탭 중 선택된 하나로 접속하는 제 3 마그네틱스위치(M3)를 포함하며, 이러한 제 1 내지 제 3 마그네틱스위치(M1,M2,M3) 각각의 동작은 제어부(100)에 의해서 결정되는 바, 이를 위해 제어부(100)는 R,S,T 인풋단자에 각각 접속되어 이들로부터 입력되는 R,S,T 각각의 크기를 인지한 후 내부의 연산알고리즘에 따라 제 1 내지 제 3 마그네틱스위치(M1,M2,M3)의 동작을 결정한다.

즉, 이상에서 든 구체적인 수치와 각 요소에 부여된 역할에 근거하면 R,S,T 각각의 전압값과 연결방법은 표 1과 같이 정리된다.

<표 1>

입력전압	위상	절환 접속되는 입력단 - 탭
제 1 전압(380V)	R	제 1 입력단 - R1 탭
	S	제 2 입력단 - S1 탭
	T	제 3 입력단 - T1 탭
제 2 전압(400V)	R	제 1 입력단 - R2 탭
	S	제 2 입력단 - S2 탭
	T	제 3 입력단 - T2 탭
제 3 전압(360V)	R	제 1 입력단 - R3 탭
	S	제 2 입력단 - S3 탭
	T	제 3 입력단 - T3 탭

그 결과 입력전압의 변동분에 따른 자동 보상이 가능하여 누설변압기(60)의 2차측으로는 균일한 크기의 전압이 입출력되며, 따라서 이와 축전지(80)를 연결함으로서 수동절환 등의 번거로움 없이 보다 간편하고 신속하며 정확하게 이를 재충전시킬 수 있게 된다. 이 경우 도시된 바와 같이 누설변압기(60)의 2차측과 축전지(80) 사이로는 정류회로(70) 등이 개재될 수 있는데, 일례로 브릿지다이오드를 포함할 수 있다.

아울러 도면을 참조할 경우에 본 발명에 따른 충전기에는 제어부(100)와 연결된 타이머(110)를 별도 구비하고 있는데, 이에 따라 충전완료 후 타이머(110)의 시간측정 결과에 근거하여 스위치부(90)를 통해 축전지(80)를 일정시간 마다 재충전하는 기능을 추가적으로 행할 수 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 통상의 축전지(80)는 만충전 후라도 일정시간이 경과되면 자연소모에 따른 전력강하가 나타나며 비록 만충전 후 이의 사용에 이르는 시간적 간격이 짧은 경우에는 별다른 문제가 되지 않지만 2 내지 3일 이상의 장시간이 경과되면 자연 소모분이 많아져 전기차 등의 운용에 필요한 기준전력 이하로 저하되는 경우가 빈번하게 관찰된다.

이에 본 발명은 충전완료 후 일정시간마다 축전지(80)를 재충전하여 자연 소모분에 따른 전압강하를 방지하는 것을 특징으로 하는데, 특히 본 출원인은 세심한 관찰과 수많은 실험을 통해서 20 시간마다 재충전하는 것이 축전지(80)의 수명연장 및 효율증대 등의 여러 가지 면에서 보충충전에 가장 적합한 시간 간격임을 알게 되었다.

따라서 제어부(100)는 타이머(110)를 통해서 20 시간 간격으로 축전지(80)를 재충전하여 방전량을 보충하게 되며, 그 결과 오랜 시간이 경과되어도 항상 축전지(80)의 출력전력을 일정하게 유지시킬 수 있다.

이하 본 발명에 따른 충전기의 충전방법을 간단하게 정리한다.

먼저 본 발명에 따른 충전기의 누설변압기(60) 2차 측에 축전지(80)를 연결한다.

이어서 R,S,T 인풋단자를 콘센트 등에 접속시켜 3상 교류전압이 입력되도록 하는데, 이와 동시에 제어부(100)는 R,S,T 인풋단자 각각을 통해서 입력되는 R,S,T의 전압값을 검지하고 이를 기초로 스위치부(90)의 제 1 내지 제 3 마그네틱스위치(M1,M2,M3)를 적절하게 자동 절환함으로서 제 1 내지 제 3 입력단(62,64,66)의 적절한 탭 중 하나로 각각 R,S,T 상이 전달되도록 한다.

이에 누설변압기(60)의 2차측으로부터 출력된 변환전압은 정류회로(70) 등을 거친 후 축전지(80)를 재충전시킨다.

그리고 이와 같은 충전완료 후에는 여전히 축전지(80)가 접속되어 있다는 전제 하에 제어부(100)는 타이머(110)의 시간측정결과를 기초로 일정 주기 별로 축전지를 재충전하는데, 이는 20 시간마다 진행될 수 있으며 구체적으로는 앞서 설명한 바와 같이 스위치부(90)의 제 1 내지 제 3 마그네틱스위치(M1,M2,M3)의 자동 절환으로서 가능하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 기술하였으나 이는 어디까지나 예시에 불과한 것으로 본 발명의 정신을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러나, 그와 같은 변형과 변경은 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 이하의 청구 범위를 통하여 보다 분명해질 수 있을 것이다.

이상의 설명과 같은 본 발명에 따른 충전기는 외부 입력전압의 변동분에 따른 자동 보상이 가능한 장점이 있다. 이에 전력공급 사정이 원활하지 못하여 수요량 및 시간대 별로 서로 다른 교류전압이 입력되더라도 균일하고 신뢰성 있는 충전이 가능하며, 이를 통해 축전지의 효율을 극대화하고 수명을 연장시키는 효과가 있다.

더불어 본 발명에 따른 충전기는 충전 완료 후 일정시간 마다 재충전을 진행하여 자연 소모에 따른 방전량을 보충 충전할 수 있는 장점이 있는 바, 특히 20시간 마다 축전지의 재충전을 실시하여 최적의 효과를 얻는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 외부의 3상 교류전압이 입력되는 R,S,T 인풋단자와;

   상기 R,S,T 인풋단자가 각각 접속되는 제 1 내지 제 3 입력단이 인출되되, 상기 제 1 내지 제 3 입력단은 각각 제 1 전압을 위한 제 1 탭과, 상기 제 1 전압의 5~10% 크기의 제 2 전압을 위한 제 2 탭과, 상기 제 1 전압의 -5~10% 크기의 제 3 전압을 위한 제 3 탭으로 구분된 1 차측 그리고 상기 제 1 내지 제 3 전압을 소정크기로 변환 출력하는 2 차측을 포함하는 누설변압기와;

   상기 2차 측에 접속되어 충전되는 축전지와;

   상기 R,S,T 인풋단자를 각각 상기 제 1 내지 제 3 탭 중 선택된 하나로 접속시키는 스위치부와;

   상기 축전지의 충전완료 후로부터 시간을 측정하는 타이머와;

   상기 R,S,T 인풋단자의 전압값을 기초로 상기 스위치부를 제어하고, 상기 축전지의 충전완료 후 상기 타이머의 시간측정 결과를 기초로 일정시간 마다 상기 축전지를 재충전시켜 자연소모에 따른 전력강하를 보충하는 제어부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스위치부는, 상기 R,S,T 인풋단자를 각각 상기 제 1 내지 제 3 탭 중 선택된 하나로 접속시키는 적어도 세 개의 마그네틱스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 일정시간은 20시간 주기인 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 누설변압기의 2차측과 상기 축전지 사이로 위치되어 상기 변환 출력된 전압을 정류하는 정류회로를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 정류회로는 브릿지다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정전압방식 충전기.

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